在高速干车削AISI 316L钢的过程中，对TiAlSiN和TiSiN/TiSiVN涂层的性能进行了评估，并考虑了基于钒的摩擦氧化物的作用

《Surface and Coatings Technology》：Performance evaluation of TiAlSiN and TiSiN/TiSiVN coatings during high-speed dry turning of AISI 316?L considering the role of vanadium-based tribo-oxides

在高速干切削加工中，对比研究了未涂层、TiAlSiN单层涂层和TiSiN/TiSiVN多层涂层的Al?O?/SiC陶瓷刀具性能。通过三次连续加工 passes 分析发现，TiSiN/TiSiVN涂层因形成自适应V?O?润滑层，显著降低切削力（15%）、摩擦系数（12%）和表面粗糙度（30%），同时抑制 flank wear（40%）和 crater wear。SEM/EDS及Raman光谱证实其双重保护机制：被动Al?O?/SiN?层阻隔热化学侵蚀，主动V?O?层实现低摩擦润滑。

　　在现代制造业中，随着对环境保护和资源节约意识的提高，干式切削（dry machining）技术正逐渐成为一种重要的加工方式。干式切削无需使用冷却液，不仅减少了环境污染，还降低了加工成本。然而，由于材料特性和加工条件的复杂性，干式切削面临诸多挑战，尤其是在加工高硬度、高耐磨性的材料时。例如，AISI 316L不锈钢因其优异的强度、生物相容性和耐腐蚀性，在医疗、化工和海洋工业中得到了广泛应用。然而，这种材料在干式切削过程中表现出较差的热传导性能、显著的应变硬化能力和较强的粘附磨损倾向，使得加工过程中的切削力增大、工具磨损加剧、切屑形态不良以及表面质量下降等问题变得尤为突出。

为了克服这些挑战，研究人员致力于开发高性能的切削工具材料和表面处理技术，以提高干式切削过程中的工具寿命和加工效率。其中，涂层技术被认为是一种有效的解决方案，能够显著改善工具的耐磨性、热稳定性以及摩擦特性。本文探讨了三种不同涂层（未涂层、TiAlSiN涂层和TiSiN/TiSiVN多层涂层）在干式切削AISI 316L不锈钢时的性能表现。研究通过三次连续的切削试验，分析了不同切削速度下切削力、表面粗糙度、切削温度和工具磨损（前刀面和后刀面）等关键加工参数的变化情况。

研究发现，TiSiN/TiSiVN多层涂层在干式切削中表现最佳。在350 m/min的切削速度下，其切削力仅增加了约15%，相较于TiAlSiN涂层的提升幅度更小，且相较于未涂层工具的提升幅度更低。此外，TiSiN/TiSiVN涂层的前刀面磨损抗性比TiAlSiN涂层提高了约9%，其磨损进展也比未涂层工具降低了约17%。这些数据表明，TiSiN/TiSiVN涂层在干式切削条件下能够有效减缓工具磨损，保持较好的切削性能。

表面粗糙度和切削温度的变化进一步验证了TiSiN/TiSiVN涂层的优势。在相同的切削条件下，TiSiN/TiSiVN涂层的表面粗糙度显著低于其他两种工具，这归因于其在切削过程中形成的V?O?三体氧化物，该氧化物能够降低摩擦系数并减少热降解。同时，切削温度的控制也更加稳定，TiSiN/TiSiVN涂层能够有效隔离热量，减少工具的热软化现象。这些性能的提升，源于TiSiN/TiSiVN涂层中自适应的三体氧化物和机械化学协同作用，使其在干式切削中展现出更高的综合性能。

为了深入理解这些性能差异，研究团队采用了一系列先进的分析手段，包括能量色散X射线光谱（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）对工具磨损区域进行了详细研究。EDS分析结果显示，TiSiN/TiSiVN涂层的磨损区含有较多的V和O元素，这表明V?O?氧化物的形成对工具的保护作用至关重要。相比之下，TiAlSiN涂层的磨损区主要含有Al和O，说明其通过形成Al?O?氧化物提供被动保护。未涂层工具的磨损区则显示出Fe、Cr和Ni等元素的大量迁移，表明其在高温下容易发生粘附和热疲劳现象。

此外，研究还利用拉曼光谱分析了切屑与工具之间的界面氧化物组成。结果显示，TiAlSiN涂层在切屑与工具接触区域形成了TiO?和Al?O?等氧化物，这些氧化物具有一定的热稳定性和氧化防护能力，但对摩擦的抑制作用有限。而TiSiN/TiSiVN涂层不仅含有TiO?和SiO?，还显示出V?O?的特征峰，说明其在高温下能够生成具有自润滑特性的氧化物薄膜。这种薄膜不仅降低了摩擦系数，还能够有效缓解切屑与工具之间的摩擦和热应力，从而延缓工具磨损。

研究还指出，TiAlSiN和TiSiN/TiSiVN涂层虽然在干式切削中表现出良好的性能，但它们的保护机制存在一定的局限性。TiAlSiN涂层主要依赖于被动的氧化物形成，无法动态调整以适应变化的三体化学条件。而TiSiN/TiSiVN涂层则通过自适应的氧化物生成，实现了更全面的保护。在干式切削过程中，TiSiN/TiSiVN涂层的多层结构能够调节残余应力，并通过界面间的微裂纹阻断作用增强工具的韧性。同时，各层的弹性模量和硬度的定期变化有助于提高工具的抗剥落和抗剥离能力。

从整体来看，TiSiN/TiSiVN涂层在多个关键指标上均优于其他两种工具。这不仅体现在其较低的切削力和摩擦系数，还体现在其较低的表面粗糙度和切削温度，以及显著的磨损抑制能力。这些性能的综合提升，使得TiSiN/TiSiVN涂层成为高转速干式切削的理想选择。研究还强调了多层涂层在延长工具寿命和提升加工质量方面的潜力，特别是在需要长时间连续运行的工业环境中。

此外，研究团队在实验方法上也进行了详细描述，包括涂层的沉积过程和切削试验的设置。涂层采用半工业级的TEER溅射机进行沉积，使用直流反应磁控溅射技术，确保了涂层的均匀性和稳定性。切削试验则在不同切削速度下进行，以评估工具在连续切削过程中的性能变化。通过三组试验，研究人员能够更全面地了解工具在不同阶段的磨损情况和加工性能。

从研究结果来看，TiSiN/TiSiVN涂层在干式切削AISI 316L不锈钢时表现出优越的性能，这不仅得益于其自适应的三体氧化物形成，还与其多层结构的机械化学协同作用密切相关。相比之下，未涂层工具和TiAlSiN涂层在高温下容易发生粘附和热疲劳，导致切削力和摩擦系数的显著增加，以及表面粗糙度和磨损的快速恶化。因此，TiSiN/TiSiVN涂层在干式切削中展现出更高的可靠性和效率。

综上所述，本文通过系统的实验和分析，揭示了不同涂层在干式切削过程中的性能差异。TiSiN/TiSiVN多层涂层由于其独特的自润滑机制和优异的机械化学性能，成为高转速干式切削的优选方案。未来，随着涂层技术的不断发展和优化，这种多层结构有望在更多工业应用中发挥重要作用，为干式切削提供更加高效和环保的解决方案。